Fission spontanée

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La fission spontanée (FS) est une forme de désintégration radioactive caractéristique des isotopes lourds.

Elle est théoriquement possible pour tous les noyaux atomiques dont la masse est supérieure à 100 u ou uma, c’est-à-dire à peu près plus lourd que le ruthénium. Cependant, en pratique, la fission spontanée est observée uniquement pour les noyaux atomiques dont la masse est supérieure à 230 u, c’est-à-dire à partir du thorium. Les éléments les plus susceptibles de subir une fission spontanée sont les actinides les plus massifs, comme le mendélévium et le lawrencium, ainsi que les éléments trans-actinides tels que le rutherfordium. Mathématiquement, le critère qui détermine si une fission spontanée peut se produire est le suivant :

\hbox{Z}^2/\hbox{A}\ge45.


Où Z est le numéro atomique et A est le nombre de masse (e.g. Z = 92, A = 235 pour _{92}^{235}U).

Ce critère est difficilement satisfait, même dans le cas des nucléides les plus lourds, par exemple pour le californium (Z = 98), il faut A < 214 alors qu'aucun isotope connu du californium n'a moins de 240 nucléons.

Dans le cas de l’uranium et du thorium la fission spontanée peut se produire, mais seulement pour une très faible proportion des désintégrations radioactives, et est le plus souvent négligée sauf lors de l'utilisation du schéma de désintégration dans la description exacte de l'activité d'un échantillon contenant ces éléments.

Comme son nom le suggère, la fission spontanée possède exactement le même processus de désintégration que la fission nucléaire, au détail près qu’elle se produit sans que le noyau atomique soit frappé par un neutron ou une autre particule. La fission spontanée rejette des neutrons, comme toute fission, ainsi, si la masse critique est atteinte, elle peut engendrer une réaction en chaîne. C’est pourquoi les radioisotopes dont la désintégration nucléaire par fission spontanée n’est pas négligeable peuvent être utilisés comme source d’émission de neutrons. Le californium 252 (demi-vie de 2,645 années, ratio de fission spontanée de 3,09 %) est souvent utilisé pour cet usage. Les neutrons ainsi produits peuvent alors être utilisés dans des applications telles que la recherche d'explosifs lors de la fouille des bagages dans les aéroports, la mesure de l'humidité des sols lors de la construction de routes ou sur les chantiers de construction, la mesure d'humidité des matériaux entreposés en silo.

Tant que les réactions de fission ne conduisent qu'à une diminution négligeable du nombre de noyaux spontanément fissiles, il s'agit d'un processus de Poisson : pour les intervalles de temps très courts, la probabilité d'une fission spontanée est proportionnelle à la durée de l'intervalle.

La mesure des défauts cristallins causés par la fission spontanée de l'uranium 238 est à la base d'une méthode de datation absolue.

Taux de fission spontanée[modifier | modifier le code]

Taux de fission spontanée[1]:

Nucléide
Demi-vie
(a)
Probabilité
de fission par
désintégration
(%)
Nombre de
fission
par (g•s)
Neutrons
par fission
spontanée
Neutrons
par (g•s)
Puissance
thermique des
désintégrations
(watt/g)
Puissance
thermique des
fissions [2]
(watt/g)
232Th 14,05 × 109 1,00357 × 10-6 % 4,07 x 10-5 2,0 8,14 × 10-5 2,65 × 10-9 1,27 × 10-15
235U 7,038 × 108 2,0 × 10-7 % 1,60 x 10-4 1,86 2,97 × 10-4 5,99 × 10-8 5,00 × 10-15
236U 23,42 × 106 1,171 × 10-7 % 2,80 × 10-3 2,0 5,60 × 10-3 1,75 × 10-6 8,75 × 10-14
238U 4,4688 × 109 5,4 × 10-5 % 6,71 × 10-3 2,07 1,39 × 10-2 8,51 × 10-9 2,10 × 10-13
238Pu 87,75 1,791 × 10-7 % 1,134 × 103 2,0 2,27 × 103 0,567 3,54 × 10-8
239Pu 2,411 × 104 4,4 × 10-10 % 1,01 × 10-2 2,16 2,18 × 10-2 1,93 × 10-3 3,15 × 10-13
240Pu 6,56 × 103 5,0 × 10-6 % 4,2 × 102 2,21 9,28 × 102 6,96 × 10-3 1,31 × 10-8
244Pu 80,8 × 106 0,12% 8,05 × 102 2,0 1,61 × 103 5,01 × 10-7 2,51 × 10-8
250Cm 9 000 80,0 % 4,7 x 109 3,3 1,55 × 1010 4,87 × 10-3 0,147
252Cf 2,645 3,09 % 6,13 × 1011 3,73 2,3 × 1012 19,76 19,15

Dans la pratique, le plutonium 239 contient toujours une certaine quantité de plutonium 240 en raison de l'absorption de neutrons dans les réacteurs ; or le taux élevé de fission spontanée du plutonium 240 en fait un contaminant indésirable dans le plutonium de qualité militaire. Ce dernier est donc obtenu dans des réacteurs spéciaux permettant de conserver une quantité de plutonium 240 inférieure à 7 %.

La puissance thermique issue des fissions spontanées est négligeable devant celle provenant de la désintégration alpha sauf pour les noyaux les plus lourds.

En ce qui concerne les bombes A dites par insertion, la masse critique doit être obtenue en moins d'une milliseconde, durée pendant laquelle l'occurrence de fission doit être faible. La seule matière fissile utilisable dans ces bombes est donc l'uranium 235.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Shultis, J. Kenneth; Richard E. Faw (2002). Fundamentals of Nuclear Science and Engineering. Marcel Dekker, Inc., p. 137 (table 6.2). (ISBN 0-8247-0834-2).
  2. La puissance thermique des fissions est prise égale à 195 MeV pour tous les isotopes